高壓加熱器換熱管的材質(zhì)對(duì)比及分析

劉鐵映，張福君，邱 平

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概 述

高壓加熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)高加)是火電機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，為提高機(jī)組的熱效率發(fā)揮著重要作用。在回?zé)嵯到y(tǒng)中，高壓加熱器主要由水室、管板及換熱管承受鍋爐給水的高壓。高壓加熱器材質(zhì)的選擇至關(guān)重要，直接關(guān)系到高加的安全性和可靠性。目前，高加水室、管板及殼體的材料制造均已成熟，還未有因殼體材料失效而造成高加報(bào)廢的案例。

高加換熱管承擔(dān)著加熱蒸汽和鍋爐給水之間的熱量交換，還承受著鍋爐給水的高壓，若換熱管的材質(zhì)選取不當(dāng)，更容易發(fā)生換熱管的泄漏現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)高加換熱管泄漏，必須立即停機(jī)處理，否則，泄漏管周邊的換熱管將被持續(xù)損壞，造成泄漏的換熱管越來(lái)越多。高加停運(yùn)后，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷將下降10%～15%，嚴(yán)重影響了機(jī)組的發(fā)電效率。因此，換熱管材質(zhì)的選取，是相當(dāng)重要的議題。

1 常用的換熱管材料

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)高加換熱管材質(zhì)的要求，常見(jiàn)的換熱管材質(zhì)是碳鋼、低合金鋼、不銹鋼。早期還曾采用過(guò)銅管，但銅管的強(qiáng)度低，高溫性能不佳，現(xiàn)已不在高壓加熱器上應(yīng)用。

1.1 碳鋼管

高加常用的碳鋼換熱管材料，主要是SA-556Gr.C2和20G等材料牌號(hào)，SA-556Gr.C2與20G材料為等同材料。SA-556Gr.C2材料被廣泛應(yīng)用于各種換熱器，也是ASME SA-556/SA-556M標(biāo)準(zhǔn)中的推薦材料，該材料為碳錳鋼珠光體型鋼，具有較好的塑性和強(qiáng)度，同時(shí)也具有較好的抗應(yīng)力腐蝕特性。SA-556Gr.C2的化學(xué)成分，如表1所示。

表1SA-556Gr.C2材料的化學(xué)成分

項(xiàng)目成分/%C≤0.3Mn0.29～1.06Cr/Mo/P≤0.035S≤0.035Si≥0.1

20G也是常用的材料牌號(hào)，是用于鍋爐的高壓碳鋼管，材料的塑性、韌性及焊接性能較好，常用于高壓或高參數(shù)鍋爐的受熱面管子，如低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器的前屏、省煤器及水冷壁等，早期也曾作為200 MW以下機(jī)組高壓加熱器的換熱管使用。目前，隨著SA-556Gr.C2材料在大機(jī)組上的廣泛應(yīng)用，20G材料已逐漸被SA-556Gr.C2材料取代。

1.2 合金鋼管

合金鋼管較少用于高加換熱管，主要采用的合金鋼管材料牌號(hào)及化學(xué)成分，如表2所示。

在SA-213T11、SA-213T12、SA-213T22等材料牌號(hào)中，添加了Cr、Mo元素，Cr元素具有增加鋼的淬透性，還有二次強(qiáng)化的作用。添加Cr元素后，材料具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性，增加了鋼的熱強(qiáng)性。添加Mo元素后，可提高材料的抗氧化性。因此，SA-213T11、SA-213T12、SA-213T22材料具有較好的抗沖刷和抗氧化性能。

在不同的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)選用16Mo3和15Mo3材料，但材料的化學(xué)成分相近，均是在碳鋼基礎(chǔ)上添加了Mo元素，提高了材料的抗氧化性，但由于含Cr元素為非控制元素，因此，抗沖刷性及耐腐蝕性與碳鋼管相比，并沒(méi)有本質(zhì)上的提高。

1.3 不銹鋼換熱管

常用的不銹鋼換熱管，主要是奧氏體不銹鋼管和鐵素體不銹鋼管。不銹鋼換熱管的主要牌號(hào)及化學(xué)成分，如表3所示。

在304不銹鋼管和316不銹鋼管中，又分為有縫管和無(wú)縫管。較為常見(jiàn)的主要有SA-688及SA-213材料牌號(hào)。目前，高加上較多地采用了SA-803TP439材料作為換熱管。

以不銹鋼的化學(xué)成分進(jìn)行劃分，基本上可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩大系統(tǒng)，分別以Cr13和Cr18Ni8的材料牌號(hào)為代表。

表2常用的合金鋼管牌號(hào)及化學(xué)成分

項(xiàng)目元素成分/%CMnCrMoSi所屬標(biāo)準(zhǔn)材料牌號(hào)SA-213T110.05～0.150.3～0.61.0～1.50.44～0.650.5～0.1ASMEⅡSA-213T120.05～0.150.3～0.610.8～1.250.44～0.650.5～0.1ASMEⅡSA-213T220.05～0.150.3～0.61.9～2.60.87～0.1.130.5～0.1ASMEⅡ16Mo30.12～0.20.4～0.9/0.25～0.35/EN1021615Mo30.12～0.20.4～0.8/0.25～0.350.15～0.35DIN17175

表3不銹鋼換熱管的牌號(hào)及化學(xué)成分

項(xiàng)目元素成分/%C1MnCrMoSiNiN所屬標(biāo)準(zhǔn)材料牌號(hào)TP304≤0.08≤2.018～20/≤0.758.0～11.0/ASMEⅡTP304L≤0.035≤2.018～20/≤0.758.0～11.0/ASMEⅡTP304N≤0.080≤2.018～20/≤0.758.0-11.00.10～0.16ASMEⅡTP316≤0.080≤2.016～182.00～3.00≤0.7511.0～14.0/ASMEⅡ316L≤0.035≤2.016～182.00～3.00≤0.7510.0～15.0/ASMEⅡTP439≤0.070≤1.017～19/≤1.0≤0.5/ASMEⅡ

SA-803TP439材料是鐵素體不銹鋼，材料的性能良好，在高應(yīng)力條件下，腐蝕開(kāi)裂的敏感性低，具有優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕能力， 以及抗晶間腐蝕的能力。但該材料的缺口敏感性高，隨著材料厚度的增加，無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度明顯提高，材料的脆性增大，塑性降低。SA-803TP439鐵素體不銹鋼抗氯離子性能比奧氏體不銹鋼還要弱，但該類(lèi)材料，在核電加熱器上具有較廣泛的應(yīng)用。

TP304、TP304L、TP304N、TP316、TP316L材料均屬于奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性、耐沖蝕性及抗氧化性。當(dāng)TP304L、TP316L材料的含碳量小于或等于0.03%時(shí)，單項(xiàng)奧氏體組織是非常穩(wěn)定的，可在各溫度范圍內(nèi)使用，耐蝕性能均很高。當(dāng)TP304、TP304N及TP316不銹鋼含碳量大于0.03%時(shí)，超過(guò)了奧氏體的溶碳量，在一定程度上降低了抗腐蝕能力，容易導(dǎo)致晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕及沿晶間型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因此，奧氏體不銹鋼均采用固溶化熱處理，以獲得單項(xiàng)奧氏體組織。304L和316L材料的含碳量較低，剩余的碳當(dāng)量更少，單項(xiàng)奧氏體組織也更穩(wěn)定，因此，材料的耐腐蝕性更強(qiáng)。當(dāng)奧氏體不銹鋼在450～850℃停留時(shí)，材料中的碳會(huì)與鉻結(jié)合，形成碳化鉻，使晶間貧鉻，造成晶間腐蝕，這就是奧氏體不銹鋼的“敏化”現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼還對(duì)氯離子的較為敏感，耐氯離子腐蝕的能力較差。

2 換熱管的力學(xué)性能

高壓加熱器換熱管承受高加給水的壓力，因此，在選材時(shí)，換熱管的力學(xué)性能是重要指標(biāo)之一。在特定溫度下，各材料牌號(hào)換熱管的許用應(yīng)力，在ASME Ⅱ卷 D篇中所列出的數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 特定溫度下各牌號(hào)換熱管的許用應(yīng)力 單位：MPa

從表4的數(shù)據(jù)可知，溫度為375℃以下時(shí)，SA-556Gr.C2材料的許用應(yīng)力最高，16Mo3材料次之，而不銹鋼的許用應(yīng)力則相對(duì)較低。需要注意的是，16Mo3的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)，是ASME Ⅱ卷 D篇中給出的，而16Mo3材料為EN10216-2標(biāo)準(zhǔn)中的選用材料。在EN10216-2標(biāo)準(zhǔn)中，給出的16Mo3材料的屈服強(qiáng)度，如表5所示。

表516Mo3材料的屈服強(qiáng)度(不同溫度下)

項(xiàng)目不同溫度下/℃100150200250300350400450屈服強(qiáng)度/MPa243237224205173159156150

在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，采用屈服強(qiáng)度作為選用的許用應(yīng)力，安全系數(shù)取1.6。因此，也按屈服強(qiáng)度與安全系數(shù)的比值，計(jì)算得出16Mo3材料的許用應(yīng)力，如表6所示。

表6各溫度下16Mo3材料的許用應(yīng)力

項(xiàng)目不同溫度下/℃100150200250300350400450許用應(yīng)力/MPa152148140128108999894

從表6可知，當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，16Mo3材料的許用應(yīng)力值，比ASME Ⅱ卷D篇中給出的值要低。因此，使用16Mo3材料時(shí)，若按ASME標(biāo)準(zhǔn)選取許用應(yīng)力，在采購(gòu)前需人為地提高該材料屈服強(qiáng)度的最低值，不能僅僅滿足EN10216-2標(biāo)準(zhǔn)的要求。

火力發(fā)電機(jī)組常被分為亞臨界機(jī)組、超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組，換熱器管側(cè)的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，分別按照設(shè)計(jì)院給出的最高值選取，管側(cè)設(shè)計(jì)壓力及管側(cè)設(shè)計(jì)溫度，如表7所示。因二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)壓力達(dá)45～50 MPa，為特殊工況，所以，不在此討論。

表7各型機(jī)組的管側(cè)設(shè)計(jì)壓力及管側(cè)設(shè)計(jì)溫度

項(xiàng)目亞臨界超臨界超超臨界管側(cè)設(shè)計(jì)壓力/ MPa27.53539管側(cè)設(shè)計(jì)溫度/℃315320360

按表7中的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，計(jì)算選取各材料換熱管的壁厚，如表8所示。

表8 計(jì)算各材料換熱管的壁厚(外徑為15.88)單位：mm

從表8的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在亞臨界機(jī)組中，由于壓力較低，采用各型材料換熱管的厚度差別并不大，均為2～3 mm，若用于超超臨界機(jī)組，則不銹鋼管和低合金鋼管(16Mo3材料除外)的厚度，已達(dá)3.0 mm之上。

3 換熱管材料的加工

3.1 碳鋼管

SA-556Gr.C2碳鋼換熱管已普遍應(yīng)用在高加上，加工技術(shù)較為成熟。換熱管與高壓管板的焊接及脹接，均不存在問(wèn)題。

3.2 低合金鋼

在國(guó)內(nèi)外，也有部分設(shè)備采用16Mo3材料的換熱管，因管料含有Mo元素，焊接性能略遜于SA-556Gr.C2材料，但該材料的制造技術(shù)成熟，通過(guò)改進(jìn)焊接工藝，提高了材料的焊接性能。SA-213T11等材料是常見(jiàn)的低合金鋼管，并沒(méi)有在高壓加熱器上廣泛應(yīng)用。在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，SA-213T11等材料規(guī)定的許用應(yīng)力比碳鋼低，但該材料的硬度和強(qiáng)度較高。某設(shè)備中，曾采用15CrMo(等同SA-213T11材料)作為換熱管(規(guī)格為?15.88 mm×2.6 mm)，對(duì)換熱管進(jìn)行脹接試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)較難完成脹接。從表8可知，低合金鋼換熱管可應(yīng)用在亞臨界機(jī)組，若用于超臨界和超超臨界機(jī)組，則管壁較厚，造成脹接困難，應(yīng)慎重選用。

3.3 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼管常被選用為低壓加熱器換熱管，奧氏體不銹鋼具有良好的加工性能，受奧氏體不銹鋼管“敏化”特性的影響，不能對(duì)加熱器進(jìn)行整體熱處理，需對(duì)殼體及接管焊縫單獨(dú)進(jìn)行熱處理，當(dāng)殼體厚度較厚時(shí)，局部熱處理時(shí)存在加熱不均勻等問(wèn)題。

3.4 鐵素體不銹鋼

SA-803TP439為常用的鐵素體不銹鋼，在核電高壓加熱器及分離器(MSR)上有廣泛的應(yīng)用，但該材料具有脆性問(wèn)題，使用厚度所到限制。據(jù)了解，美國(guó)某鋼廠生產(chǎn)的SA-803TP439鋼管，最大厚度僅為2.2 mm，超過(guò)此厚度后，材料的脆性將顯著增加，當(dāng)材料厚度達(dá)到2.5 mm時(shí)，其無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度已達(dá)到了20 ℃，這種材料性質(zhì)限制了管材的應(yīng)用。

按ASME標(biāo)準(zhǔn)中給出的許用應(yīng)力值，該材料僅能應(yīng)用于325℃以下。在火電高加的設(shè)計(jì)方案中，高加的設(shè)計(jì)溫度及換熱管厚度均超過(guò)了該材料的許用值，因此，該材料不適合應(yīng)用于火電高壓加熱器。

4 換熱管的傳熱性能

換熱管在高加中承擔(dān)著傳熱的任務(wù)，因此，在換熱計(jì)算中，需要著重考慮換熱管的傳熱性能。不同材質(zhì)換熱管的傳熱性能各不相同，各材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，如表9所示。

表9 各材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù) 單位：w/m2·k

由表8可知，SA-556Gr.C2及16Mo3材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高，低合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)次之，而不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)最小。關(guān)于SA-803TP439材料，在ASME材料中并未給出該材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但國(guó)內(nèi)已擁有了該種材料換熱管的加熱器，并取得了滿意的運(yùn)行效果。

5 換熱管運(yùn)行的可靠性

高壓加熱器常見(jiàn)的失效模式，是換熱管的泄漏。換熱管泄漏的原因較為復(fù)雜，且與設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行等方面均有很大的關(guān)系。

5.1 碳鋼管

SA-556Gr.C2管材是加熱器常用的無(wú)縫冷拔碳鋼管，在高壓加熱器中應(yīng)用廣泛。雖然SA-556Gr.C2鋼管的耐腐蝕性能不如不銹鋼管材，但因高加運(yùn)行時(shí)的介質(zhì)為凈化水，所以運(yùn)行效果良好。SA-556Gr.C2的金相組織為鐵素體+珠光體，晶體為體心立方結(jié)構(gòu)。目前，在高壓加熱器換熱管中，使用最多的就是SA-556Gr.C2材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在正常運(yùn)行及適當(dāng)維護(hù)的工況下，該材料換熱管的首次泄漏期限，為投運(yùn)后7～10年，可見(jiàn)，該材料換熱管的可靠性較高。

5.2 低合金鋼管

16Mo3、15Mo3低合金鋼管材在國(guó)內(nèi)也有應(yīng)用，該管材同樣存在泄漏的問(wèn)題，實(shí)際運(yùn)行情況與SA-556Gr.C2管材相近。SA-213T11等Cr-Mo材料，很少應(yīng)用在高壓加熱器上，目前還沒(méi)有相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

5.3 不銹鋼管

不銹鋼換熱管的材質(zhì)主要為奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼。目前，在高加上應(yīng)用較多的奧氏體不銹鋼換熱管，是SA-213TP304管材。從理論上分析，不銹鋼的耐沖蝕性、抗氧化性及抗腐蝕性能，要強(qiáng)于碳鋼SA-556Gr.C2材料，作為高加換熱管，應(yīng)具有更好的運(yùn)行效果，但實(shí)際運(yùn)行中并非如此。選用SA-213TP304作為高加換熱管，在技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)上還不成熟。國(guó)外660 MW超臨界機(jī)組的高加，也有采用SA-213TP304不銹鋼管作為換熱管，有些換熱器在1年內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的泄漏，且泄漏位置無(wú)規(guī)律。對(duì)某高加解體后，發(fā)現(xiàn)在換熱管斷口附近位置出現(xiàn)裂紋，疑為應(yīng)力腐蝕或者晶間腐蝕造成的。經(jīng)材料分析和試驗(yàn)，換熱管的化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)均合格。某高加換熱管的裂紋，如圖1所示。

圖1 某高加解體后換熱管的裂紋

奧氏體不銹鋼屬于面心立方結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生晶體的滑移，并形成粗大的滑移臺(tái)階，抗應(yīng)力腐蝕的性能較差，而應(yīng)力腐蝕破裂是應(yīng)力作用下腐蝕的基本形式。通常，當(dāng)應(yīng)力不存在時(shí)，發(fā)生的腐蝕非常輕微，但當(dāng)有應(yīng)力且應(yīng)力超過(guò)某臨界值后，將在腐蝕并不嚴(yán)重的情況下發(fā)生材料的脆斷。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，是材料在使用中失效乃至發(fā)生斷裂的重要原因。

6 材料對(duì)比及計(jì)算

換熱管作為高壓加熱器的核心零件，管材的選擇，直接關(guān)系到高加的后續(xù)運(yùn)行。由分析可知，亞臨界機(jī)組的壓力較低，采用碳鋼管、合金鋼或不銹鋼換熱管在厚度上的差別不大，無(wú)論采用哪種材料均是可行的，而超臨界、超超臨界機(jī)組的壓力較高， 在選取換熱管的壁厚上，則有較大的不同，因此，將對(duì)加熱器制造及運(yùn)行帶來(lái)的不同結(jié)果。SA-556Gr.C2和16Mo3管材，均已在超超臨界機(jī)組上得到應(yīng)用，在設(shè)計(jì)及制造加工方面均不存在問(wèn)題。

在超臨界和超超臨界機(jī)組上，常采用合金鋼換熱管，該材料在理論上具有較好的耐腐蝕和沖蝕性，但需選用較厚的管壁，存在脹接困難等問(wèn)題。因此，選用合金鋼管材時(shí)，應(yīng)考慮管板的接管加工，使換熱管與管板接管形成對(duì)接，以換熱管的對(duì)接焊縫質(zhì)量，確保管子與管板連接的可靠性。

在超臨界機(jī)組中，若采用不銹鋼管料作為高加換熱管，還需在計(jì)算中考慮某些問(wèn)題。

(1)不銹鋼換熱管的壁厚，比采用碳鋼管的壁厚增加約30%。

(2)奧氏體不銹鋼的傳熱性能比碳鋼和低合金鋼要低，且由于選用的壁厚比碳鋼厚30%，導(dǎo)致高壓加熱器的換熱面積增大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，約需增加50%。

(3)設(shè)備的長(zhǎng)度及重量均有增加，增加了運(yùn)輸和安裝的難度(不銹鋼管3臺(tái)高加的總重約為420 t，碳鋼管高加3臺(tái)高加的總重約305 t)。

奧氏體不銹鋼管對(duì)氯離子十分敏感，很低的氯離子含量在短時(shí)間內(nèi)就可對(duì)換熱管造成嚴(yán)重的腐蝕，這是奧氏體不銹鋼致命的缺點(diǎn)。在停機(jī)期間，由于水分的蒸發(fā)造成氯離子富集，這是難于避免的，恰恰是氯離子造成奧氏體不銹鋼管腐蝕的重大因素。尤其是使用海水為水冷介質(zhì)的機(jī)組，當(dāng)凝汽器發(fā)生泄漏時(shí)，往往有大量的海水進(jìn)入給水系統(tǒng)，大量的氯離子將會(huì)對(duì)不銹鋼換熱管造成無(wú)可挽回的損傷。因此，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性上考慮，高壓加熱器的換熱管應(yīng)優(yōu)先考慮使用碳鋼管或低合金鋼管，慎用不銹鋼換熱管。

7 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)對(duì)比分析可知，將SA-556Gr.C2和16Mo3材料作為換熱管，是高加換熱管的首選材料，已積累了大量的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。Cr-Mo型合金鋼管雖然比碳鋼管更耐沖蝕，耐腐蝕，但欠缺運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的支撐，若在超臨界以上機(jī)組中使用，還需考慮管子的脹接問(wèn)題。使用不銹鋼換熱管時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮鐵素體不銹鋼，慎用奧氏體不銹鋼。